جونار نوردبرج
الحدوث والاستخدامات
تشير التقديرات إلى أن الزركونيوم (Zr) يشكل حوالي 0.017٪ من الغلاف الصخري. بسبب نشاطه الكيميائي العالي جدًا عند درجات حرارة أعلى بقليل من درجة حرارة الغلاف الجوي العادية ، يحدث العنصر فقط في حالات مشتركة. أكثر الخامات شيوعًا هي الزركون (ZrO2) و baddeleyite (ZrSiO4). يوجد الزركونيوم في جميع أنسجة الحيوانات.
تم العثور على الهافنيوم (Hf) مرتبطًا بالزركونيوم في جميع تواجده الأرضي. تختلف كمية الهافنيوم ولكنها تبلغ في المتوسط حوالي 2٪ من إجمالي الزركونيوم بالإضافة إلى الهافنيوم. في خام واحد فقط ، منخفض في كلا العنصرين ، تم العثور على الهافنيوم بكمية أكبر من الزركونيوم. تشير الدلائل الطيفية إلى أن التوزيع هو أيضًا حوالي 2٪ الهافنيوم في إجمالي الزركونيوم بالإضافة إلى الهافنيوم في الكون. هذان العنصران أكثر تشابهًا في خواصهما الكيميائية من أي زوج آخر في الجدول الدوري. التشابه كبير لدرجة أنه لم يتم العثور على اختلافات نوعية تسمح بفصلهما. لهذا السبب ، يمكن افتراض أن معظم الزركونيوم الذي تم استخدامه ، وعلى أساسه تم الإبلاغ عن التأثيرات الفسيولوجية ، يحتوي على 0.5 إلى 2٪ من الهافنيوم.
تم تقييم الزركون منذ العصور القديمة كأحجار كريمة ، لأنه يحدث بشكل شائع في بلورات مفردة كبيرة ؛ ومع ذلك ، فإن معظم الرواسب المفيدة تجاريًا لخام الزركونيوم موجودة في رمال الشاطئ أو أماكن أخرى حيث ترسبت معادن الزركونيوم الثقيلة نسبيًا والخامل كيميائيًا بينما الأجزاء الأخف من الصخور التي حدثت فيها تفككت وجرفتها الحركة. من الماء. الرواسب الكبيرة لرمال الشاطئ معروفة في الهند ومالايا وأستراليا والولايات المتحدة. تمت ملاحظة Baddeleyite في الودائع المفيدة تجاريًا لأول مرة في البرازيل ، ومنذ ذلك الحين تم العثور عليها في عدد من المواقع الأخرى بما في ذلك السويد والهند وإيطاليا. تم أيضًا استخراج بعض خامات الزركونيوم تجاريًا في مدغشقر ونيجيريا والسنغال وجنوب إفريقيا.
يستخدم الزركون كرمل مسبك ، ومادة كاشطة ، وكمكون من تركيبات الزركون والزركونيا المقاومة للصهر لبوتقات المختبر. توجد في التراكيب الخزفية حيث تعمل كمُعتم في التزجيج والمينا. يتم استخدام طوب الزركون والزركونيا كبطانات للأفران الزجاجية. تُستخدم أشكال الزركونيا أيضًا كقوالب لبثق كل من المعادن الحديدية وغير الحديدية وكبطانات للصب المعادن ، خاصة للصب المستمر.
يستخدم الآن أكثر من 90٪ من معدن الزركونيوم في توليد الطاقة النووية لأن الزركونيوم له مقطع عرضي منخفض الامتصاص للنيوترونات ومقاومة عالية للتآكل داخل المفاعلات الذرية ، بشرط أن يكون خاليًا من الهافنيوم. كما يستخدم الزركونيوم في صناعة الحديد الزهر والصلب والأجهزة الجراحية. يتم استخدامه في المصابيح القوسية ، والألعاب النارية ، وفي تدفقات اللحام الخاصة ، وكصبغة في البلاستيك.
يستخدم معدن الزركونيوم المسحوق باعتباره "جامعًا" في الأنابيب الحرارية لامتصاص آخر آثار الغاز بعد ضخ عناصر الأنبوب وغازها. في شكل شريط أو صوف ناعم ، يتم استخدام المعدن أيضًا كمرشح في مصابيح الفلاش الفوتوغرافية. يتم استخدام المعدن الضخم إما نقيًا أو في شكل سبيكة لبطانة أوعية التفاعل. كما أنها تستخدم كبطانة للمضخات وأنظمة الأنابيب للعمليات الكيميائية. تم استخدام سبيكة ممتازة فائقة التوصيل من الزركونيوم والكولومبيوم في مغناطيس مع مجال قدره 6.7 T.
كربيد الزركونيوم و ثنائي بوريد الزركونيوم كلاهما من المركبات المعدنية الصلبة المقاومة للصهر والتي تم استخدامها في أدوات قطع المعادن. كما تم استخدام ثنائي بوريد كغطاء مزدوج حراري في أفران الموقد المفتوحة مزدوجات حرارية طويلة العمر. رابع كلوريد الزركونيوم يستخدم في التخليق العضوي وفي المواد الطاردة للماء للمنسوجات. كما أنه مفيد كعامل دباغة.
معدن الهافنيوم تم استخدامه كغطاء على التنتالوم لأجزاء محركات الصواريخ التي يجب أن تعمل في ظروف تآكل شديدة الحرارة. نظرًا لارتفاع المقطع العرضي الحراري للنيوترونات ، فإنه يستخدم أيضًا كمواد قضيب تحكم للمفاعلات النووية. بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم الهافنيوم في صناعة الأقطاب الكهربائية وشعيرات المصباح الكهربائي.
المخاطر
من غير الصحيح القول بأن مركبات الزركونيوم خاملة من الناحية الفسيولوجية ، ولكن يبدو أن تحمل معظم الكائنات الحية للزركونيوم كبير مقارنةً بتسامح معظم المعادن الثقيلة. تم استخدام أملاح الزركونيوم في علاج التسمم بالبلوتونيوم لإزاحة البلوتونيوم (والإيتريوم) من ترسبه في الهيكل العظمي ولمنع الترسب عند بدء العلاج مبكرًا. في سياق هذه الدراسة ، تم تحديد أن النظام الغذائي للفئران يمكن أن يحتوي على ما يصل إلى 20 ٪ من الزركونيا لفترات طويلة نسبيًا دون آثار ضارة ، وأن LD في الوريد50 سيترات زركونيوم الصوديوم للجرذان حوالي 171 مجم / كجم من وزن الجسم. وجد باحثون آخرون صعوبة التعلم داخل الصفاق50 0.67 جم / كجم لاكتات الزركونيوم و 0.42 جم / كجم لزركونات الباريوم في الجرذان و 51 مجم / كجم من لاكتات زركونيوم الصوديوم في الفئران.
تم التوصية بمركبات الزركونيوم واستخدامها في العلاج الموضعي لالتهاب الجلد Rhus (اللبلاب السام) ولمزيلات رائحة الجسم. بعض المركبات التي تم استخدامها هي الزركونيا المائي الكربوني والزركونيا المائية ولاكتات زركونيوم الصوديوم. كان هناك عدد من التقارير عن ظهور حالات الورم الحبيبي المستمر للجلد نتيجة لهذه التطبيقات.
الأكثر أهمية بشكل مباشر فيما يتعلق بالتعرضات المهنية هو تأثير استنشاق مركبات الزركونيوم ، وقد تم التحقيق في هذا على نطاق واسع بشكل أقل من طرق الإعطاء الأخرى. ومع ذلك ، كانت هناك العديد من التجارب وتقرير واحد على الأقل عن التعرض البشري. في هذه الحالة ، وجد مهندس كيميائي تعرض لمدة سبع سنوات في مصنع معالجة الزركونيوم والهافنيوم مصابًا بحالة رئوية حبيبية. نظرًا لأن فحص جميع الموظفين الآخرين لم يكشف عن أي آفات مماثلة ، فقد استنتج أن الحالة كانت على الأرجح تعزى إلى التعرض الثقيل نسبيًا للبريليوم قبل التعرض للزركونيوم.
أظهر تعرض حيوانات التجارب لمركبات الزركونيوم أن لاكتات الزركونيوم وزركونات الباريوم أنتج كلاهما التهابًا رئويًا خلاليًا حادًا ومستمرًا ومزمنًا عند تركيزات الزركونيوم الجوية التي تبلغ حوالي 5 مجم / م.3. تركيزات أعلى بكثير من لاكتات زركونيوم الصوديوم في الغلاف الجوي تبلغ 0.049 مجم / سم3 بالنسبة للتعرض الأقصر ، تم العثور على خراجات حول القصبة ، أورام حبيبية حول القصبات والتهاب رئوي مفصص. على الرغم من عدم وجود وثائق عن داء الرئة الزركونيوم في البشر ، خلص مؤلفو إحدى الدراسات إلى أنه يجب اعتبار الزركونيوم سببًا محتملاً للتهاب الرئة ، ويوصون باتخاذ الاحتياطات المناسبة في مكان العمل.
أشار العدد الصغير من التحقيقات حول سمية مركبات الهافنيوم إلى سمية حادة أعلى قليلاً من تلك الموجودة في أملاح الزركونيوم. الهافنيوم ومركباته تسبب تلف الكبد. ينتج كلوريد الهافنيل عند 10 مغ / كغ انهيارًا قلبيًا وعائيًا وتوقفًا تنفسيًا في قطة بنفس طريقة أملاح الزركونيوم القابلة للذوبان ؛ LD داخل الصفاق50 112 مجم / كجم للهافنيوم ليس أصغر بكثير من الزركونيوم.
إجراءات السلامة والصحة
حريق وانفجار. معدن الزركونيوم على شكل مسحوق ناعم يحترق في الهواء أو النيتروجين أو ثاني أكسيد الكربون. المساحيق قابلة للانفجار في الهواء في حدود 45 إلى 300 مجم / لتر ، وهي تشتعل ذاتيًا إذا تعرضت للانزعاج ، ربما بسبب الكهرباء الساكنة الناتجة عن فصل الحبوب.
يجب نقل المعادن المسحوقة ومعالجتها في الحالة الرطبة ؛ عادة ما يستخدم الماء للترطيب. عندما يجف المسحوق قبل الاستخدام ، يجب أن تبقى الكميات المستخدمة صغيرة قدر الإمكان ويجب إجراء العمليات في حجرات منفصلة لمنع الانتشار في حالة حدوث انفجار. يجب التخلص من جميع مصادر الاشتعال ، بما في ذلك الشحنات الكهربائية الساكنة ، من المناطق التي سيتم مناولة المسحوق فيها.
يجب أن تكون جميع الأسطح في المنطقة غير منفذة للماء وغير ملساء بحيث يمكن غسلها بالماء والحفاظ عليها خالية تمامًا من الغبار. يجب تنظيف أي مسحوق مسكوب على الفور بالماء حتى لا يجف في مكانه. يجب أن تبقى الأوراق والأقمشة المستعملة التي تلوثت بالمساحيق مبللة في عبوات مغطاة حتى يتم إزالتها لحرقها ، وهو ما يجب القيام به يوميًا على الأقل. يجب تقليب المساحيق الجافة والتعامل معها بأقل قدر ممكن ، وبعد ذلك فقط باستخدام أدوات لا تسبب شررًا. يجب معالجة المرايل المطاطية أو البلاستيكية ، إذا تم ارتداؤها فوق ملابس العمل ، بمركب مضاد للكهرباء الساكنة. يجب أن تكون ملابس العمل مصنوعة من ألياف غير تركيبية ما لم يتم معالجتها بشكل فعال بمواد مضادة للكهرباء الساكنة.
يجب تصميم وتهوية جميع العمليات التي تستخدم الزركونيوم و / أو الهافنيوم للحفاظ على التلوث المحمول بالهواء أقل من حدود التعرض.